【文章內(nèi)容簡介】 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機械運動，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復(fù)式機械能，擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機械能。 氣缸輸出直線往復(fù)式氣缸是氣動執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無桿腔進氣，右側(cè)有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無桿腔進氣，下側(cè)有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。單葉片式擺動氣缸：壓縮空氣由進氣口輸入，作用在葉片上，帶動軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出。雙葉片式擺動氣缸：從進氣口進入的壓縮空氣作用在一個葉片上，同時通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動軸回轉(zhuǎn)。這樣雙葉片式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的2倍。本設(shè)計采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機械手的轉(zhuǎn)動。 控制元件控制元件是用來調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和控制其流動方向，使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。氣動控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥調(diào)節(jié)和控制壓力大小的氣動元件稱為壓力控制閥。它包括調(diào)壓閥、溢流閥、順序閥及多功能組合閥。調(diào)壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào)，并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。溢流閥是在回路中的壓力達到閥的規(guī)定值時，使部分氣體從排氣側(cè)排出，以保持回路內(nèi)的壓力在規(guī)定值的閥。調(diào)速閥是根據(jù)“流量負反饋”原理設(shè)計而成的單路流量閥。調(diào)速閥一般用于執(zhí)行元件負載變化大而運動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。調(diào)速閥根據(jù)“串聯(lián)減壓式”和“并聯(lián)溢流式”，又分為調(diào)速閥和溢流節(jié)流閥兩種主要類型。本設(shè)計選用串聯(lián)減壓式調(diào)速閥。方向控制閥方向控制閥是改變壓縮空氣流動方向和氣流通斷狀態(tài)，使氣動執(zhí)行元件的動作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥，其通?？煞譃閱蜗蛐涂刂崎y和換向型控制閥兩類。(1) 單向型控制閥單向閥是指氣流只能向一個方向流動而不能反向流動通過的閥，是最簡單的單向型方向閥。在氣動系統(tǒng)中，單向閥除單獨使用之外，經(jīng)常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調(diào)速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調(diào)速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當(dāng)流體正向流動時，其節(jié)流過程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進行調(diào)節(jié)；當(dāng)流體反向流動時，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實現(xiàn)流體反向自由流動。當(dāng)正向流動時，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。當(dāng)反向流動時，單向閥打開，不節(jié)流。(2) 換向型控制閥 換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關(guān)系，實現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。它的用途很廣，種類也很多。換向閥的性能的主要要求是：（1）油液流經(jīng)換向閥時的壓力損失??；（2）互不相通的油口間的泄漏小；（3）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。按換向閥的操縱方式有：手動式、機動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。按工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有：二位二通閥、二位三通閥、二位四通閥、二位五通閥、三位四通閥、三位五通閥等。本設(shè)計選用三位四通電磁換向閥理由如下：(1) 電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動閥芯來改變閥的工作位置。由于它操作輕便，易于實現(xiàn)自動化，因此應(yīng)用廣泛。(2) 當(dāng)三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時，閥芯處于中位，各口互不相通。(3) 使用三位四通電磁換向閥能夠快速實現(xiàn)氣缸的正反向運動。 輔助元件輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的?？煞譃闅庠磧艋b置和其他輔助元件兩大類。氣源凈化裝置過濾器、調(diào)壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元，又稱為氣動三聯(lián)件。壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會降低氣動元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除。空氣處理單元就是用來清除壓縮空氣的雜質(zhì)，提高空氣質(zhì)量的元件。消聲器消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮空氣完成驅(qū)動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為80dB～100dB，為了改善勞動條件，應(yīng)使用消聲器。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。吸收型消聲器是依靠吸聲材料來消聲的。膨脹型消聲器的結(jié)構(gòu)比較簡單，相當(dāng)于一段比排氣口徑大的管件，當(dāng)氣流通過時，讓氣流在其內(nèi)部擴散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干涉而消聲。吸收膨脹型消聲器是上述兩種的結(jié)合。氣流由斜孔引入，氣流束相互撞擊、干涉、進一步減速，再通過設(shè)在消聲器內(nèi)表面的吸聲材料消聲，最后排向大氣。本設(shè)計選用膨脹型消聲器。 真空發(fā)生器真空發(fā)生器的作用主要是使吸盤的橡膠皮碗形成真空而將工件吸附。真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動。在卷吸流動作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。 吸盤吸盤是直接吸吊物體的元件，一般用橡膠做成。真空吸盤之所以能吸附在工件上的原因是由于環(huán)境壓力（大氣壓力）大于吸盤與工件之間的壓力。將吸盤與真空發(fā)生裝置連接，吸盤內(nèi)部空間的空氣被抽去，當(dāng)吸盤接觸到工件時，大氣和吸盤之間形成了密封，就會吸住物料，吸氣大小與大氣壓和吸盤內(nèi)部空間的壓力差成正比。 氣動回路的工作原理物料分揀機械手的工作循環(huán)是：擺動氣缸的右旋→水平手臂的伸出→垂直手臂的下降→吸物→垂直手臂的上升→水平手臂的縮回→擺動氣缸的左旋→垂直手臂的下降→放物→垂直手臂的上升→回到初始位置。系統(tǒng)中選用電磁換向閥，限位開關(guān)，實現(xiàn)氣缸的往復(fù)運動。二位二通電磁閥實現(xiàn)吸盤的吸物和放物。實現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下：(1) 擺動氣缸的右旋 按下啟動按鈕，右旋按鈕接通，使三位四通電磁換向閥12的5YA得電，閥12的閥芯右移，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12左端→單向調(diào)速閥19→擺動氣缸C的D口。 排氣路線：擺動氣缸C的E口→單向調(diào)速閥20→三位四通電磁換向閥12排氣口→調(diào)速閥8→消聲器9→排出。 (2) 水平氣缸的伸出 當(dāng)擺動氣缸C右旋到指定位置時（90度），就會碰到右旋限位開關(guān)，使二位五通電磁換向閥12的5YA斷電，擺動氣缸旋轉(zhuǎn)運動會停止，經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁換向閥10的1YA得電，閥10的閥芯右移，執(zhí)行手臂前伸動作。這時的氣路是:進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥10左端→單向調(diào)速閥15→氣缸A的無桿腔。排氣路線：氣缸A的有桿腔→單向調(diào)速閥16→三位四通電磁換向閥10的排氣口→調(diào)速閥4→消聲器5→排出。(3) 垂直手臂的下降當(dāng)水平伸縮氣缸A伸出到指定位置時，就會碰到前限開關(guān)，使三位四通電磁換向閥10的1YA斷電，手臂伸出動作會停止。經(jīng)時間繼電器延時，小臂下降按鈕接通，使三位四通電磁換向閥11的3YA得電，閥11的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降動作。這時的氣路是：進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11左端→單向調(diào)速閥17→氣缸B的無桿腔。排氣路線：氣缸B的有桿腔→單向調(diào)速閥18→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調(diào)速閥6→消聲器7→排出。(4) 吸物 小臂氣缸下降到指定位置時，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁換向閥11的3YA斷電，小臂下降動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，二位二通電磁閥13的7YA得電，真空發(fā)生器22開始動作，經(jīng)真空開關(guān)24檢測真空度，并發(fā)出訊號給控制器，真空吸盤26將物料吸起。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥13→真空發(fā)生器22→過濾器25→吸盤26。 排氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥13 →真空發(fā)生器22→消聲器21。 (5)垂直手臂的上升 經(jīng)傳感器檢測到物料已經(jīng)被吸起時，發(fā)出訊號，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4YA得電，閥11的閥芯左移，執(zhí)行小臂的上升動作。這時的氣路是：進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11右端→單向調(diào)速閥18→氣缸B的有桿腔。排氣路線：氣缸B的無桿腔→單向調(diào)速閥17→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調(diào)速閥6→消聲器7→排出。(6)水平手臂的回縮 小臂氣缸上升到指定位置時，撞到上限位開關(guān)，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4YA斷電，小臂上升動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥10的電磁鐵2YA得電，閥10的閥芯左移，執(zhí)行水平手臂的回縮動作。這時的氣路是：進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥10右端→單向調(diào)速閥16→氣缸A的有桿腔。排氣路線：氣缸A的無桿腔→單向調(diào)速閥15→三位四通電磁換向閥10的排氣口→調(diào)速閥4→消聲器5→排出。(7)擺動氣缸的左旋 水平手臂氣缸回縮到指定位置時，撞到后限位開關(guān)，使三位四通電磁閥10的電磁鐵4YA斷電，水平手臂的回縮動作停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA得電，閥12的閥芯左移，執(zhí)行擺動氣缸的向左旋轉(zhuǎn)動作。這時的氣路是：進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12右端→單向調(diào)速閥20→擺動氣缸C的E口。排氣路線：擺動氣缸C的D口→單向調(diào)速閥19→三位四通電磁換向閥12排氣口→調(diào)速閥8→消聲器9→排出。(8)垂直手臂的下降 擺動氣缸左旋到指定位置（90度），撞到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)，使三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA斷電，擺動氣缸的左旋運動停止。經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA得電，閥11的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降運動。這時的氣路是：進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11左端→單向調(diào)速閥17→氣缸B的無桿腔。排氣路線：氣缸B的有桿腔→單向調(diào)速閥18→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調(diào)速閥6→消聲器7→排出。(9)放物 小臂氣缸下降到指定位置時，撞到下限位開關(guān)，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA斷電，垂直手臂的下降運動停止。經(jīng)時間繼電器延時，使二位二通電磁13斷電，二位二通電磁閥14通電，真空發(fā)生器停止運動，真空消失，壓縮空氣進入吸盤26，將物料與吸盤吹開，這時氣路為：進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥14→調(diào)速閥23→過濾器25→吸盤26。排氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥14→調(diào)速閥23→過濾器25→吸盤26。(10) 垂直手臂的上升經(jīng)傳感器檢測到物料已脫離吸盤，發(fā)出訊號，經(jīng)時間繼電器延時，使三位四通電磁閥11的4YA得電，閥11的右位接入工作，執(zhí)行垂直手臂的上升動作。這時的氣路是：進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11右端→單向調(diào)速閥18→氣缸B的有桿腔。排氣路線：氣缸B的無桿腔→單向調(diào)速閥17→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調(diào)速閥6→消聲器7→排出。 (11)回到初始位置 垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位開關(guān)，接通復(fù)位按鈕，回到初始位置，重復(fù)以上動作。第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計是整個機械手設(shè)計的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實現(xiàn)，對提高機械手整體可靠性、實用性具有重要的意義，同時也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當(dāng)前機械手廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)及PLC的發(fā)展之后，提出了采用PLC的控制方法。 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)機械手的控制系統(tǒng)一般是使機械手運動協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計算機及相應(yīng)的系統(tǒng)硬件和控制軟件。機械手的控制部分可分為4個部分：機械手及其感知器、環(huán)境、任務(wù)、控制器。機械手是由各種機構(gòu)組成的裝置，它通過感知器的內(nèi)部傳感器實現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測和信息交互；環(huán)境即指機械手所處的周圍環(huán)境；任務(wù)是指機械手要完成的操作，它需要適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言描述，并把它們存入控制機中，隨著系統(tǒng)的不同，任務(wù)的輸入可能是程序方式，或文字、圖形或聲音方式；控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當(dāng)于機械手的大腦，它以計算機或?qū)Ｓ每刂破鬟\行程序的方式來完成給定的任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)的硬件一般包括3個部分：(1) 感知部分 用來收集機械手的內(nèi)部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可接受機械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。(2) 控制裝置 用來處理各種信息，完成控制過程，產(chǎn)生必要的控制指令，它包括計算機相應(yīng)的接口等。(3) 驅(qū)動部分 為了使機械手完成操作及移動功能，機械手各關(guān)節(jié)可選用氣動、液動、電氣等方式驅(qū)動。 控制系統(tǒng)的性能要求對于一般的控制系統(tǒng)有以下控制的要求：(1) 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運動性能從偏離平衡點恢復(fù)到原平衡點狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是一般自動控制必須滿足的基本要求，對穩(wěn)定性的研究是自動化控制系統(tǒng)中的一個基本問題。 (2) 過渡過程性能 描述過渡過程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系統(tǒng)由初始狀態(tài)運動到新的平衡狀態(tài)時具有較小的超調(diào)和震蕩性；系統(tǒng)由初始狀態(tài)運動到新的平衡狀態(tài)經(jīng)歷的時間表示系統(tǒng)過渡過程的快速程度。(3) 穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是在過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，說明控制精度越高。因此，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的一項重要指標(biāo)，控制系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)之一就是